4. Автоматические синхронизаторы

Автоматические устройства точной синхронизации (АУТС) синхрон­ных генераторов состоят из трех частей, обеспечивающих три условия

точной синхронизации: равенство амплитуд ЭДС генератора Е_т__х и на­пряжения и_ш на шинах электростанции, близкая к синхронной часто­та вращения (малая частота скольжения ш_а) генератора и совпадение по фазе указанных ЭДС и напряжений в момент включения (замыкания контактов) выключателя синхронного генератора. Такие устройства со­ответственно называются уравнителем амплитуд напряжения, уравни­телем частот и автоматическим синхронизатором.

Автоматический синхронизатор обеспечивает выполнение наиболее ответственной операции точной синхронизации по обеспечению практи­ческого совпадения по фазе ЭДС генератора и напряжения на шинах электростанции в момент включения выключателя генератора. Он вы­дает управляющее воздействие на включение привода выключателя с опережением момента времени совпадения находящихся в относитель­ном вращении векторов Е_гх и Ц__ш, т.е. при наличии между ними умень­шающегося угла сдвига по фазе — угла $_оп опережения.

Поэтому появившиеся исторически первыми автоматические синхро­низаторы определяли заданный неизменный угол опережения и назы­вались автоматическими синхронизаторами с постоянным углом 8_оп = const опережения (СПУО). Однако угол опережения 8_оп = u_st_B при по­стоянном времени включения выключателя t_B должен быть переменным, зависящим от uj_s .

При равномерном вращении генератора постоянным является вре­мя опережения t_on, равное времени t_B включения выключателя. По­этому современные автоматические синхронизаторы определяют момент включения привода выключателя по постоянному времени опережения (СПВО) t_oa = const.

При неравномерном, обычно равноускоренном, вращении генерато­ра при его пуске угол опережения должен быть переменным. Поэто­му последние разработки автоматического синхронизатора представля­ют собой специализированное аналоговое или цифровое вычислительное устройство, определяющее необходимый изменяющийся с изменением и>₈ угол опережения S_on(u;_s) в предположении равноускоренного (или равно­замедленного) вращения синхронного генератора, т.е. при постоянном ускорении | ± a_s| = const ротора генератора.

Автоматические синхронизаторы дают управляющее воздействие на включение выключателя синхронного генератора, только если часто­та скольжения u_s не превышает ограниченного их техническими воз-

Рис. 2.5. Временные графики напряжений биения и_а, напряжения U_a, его производной и их суммы

можностями или условиями успешности синхронизации (генератор пос­ле включения не выпадает из синхронизма) допустимого значения u>_sa.

Автоматические синхронизаторы с постоянным временем опереже­ния входят в состав широко распространенных на электрических стан­циях автоматических устройств точной синхронизации типов АСТ-4 и У Б АС. Они используют информацию об угле сдвига фаз 5 и разности частот ш_а на основе преобразований напряжения биения и_а (рис. 2.5), равного при |£_г._х| = |£7_Ш| = Е

= Е_т( sinuj_Tt — sinu>_cf) = 2£sin cos ^Шг ^ ^Uc t, (2.8)

в напряжение

U_s = 2E sin^j-, (2.9)

форма кривой которого представляет собой огибающую амплитудных значений напряжения и_а. Преобразование сводится к выпрямлению (вы­прямитель VS на рис. 2.6) напряжения u_s и выделение частотным филь­тром нижних частот (ФНЧ) ZF составляющей U_s, изменяющейся с раз­ностью частот to_s <С (w_r + w_c)/2 и ш_с (рис. 2.5).

Напряжение U_s снижается до нуля согласно (2.9) при u₃t ~ 2пп, на­пример U_si = 0 при w₈t = 47Г, в моменты времени nT_s совпадения по фазе Е__{г х} и /7_Ш (в конце каждого периода Т_а биений). Для фиксирования постоянного времени опережения /_оп = const используется свойство сум­мы напряжения U₈ и его производной (дифференциатор AD и сумматор AW на рис. 2.6)

(

dlA

dt

= Ей, cos —-

2.10)

проходить через нулевое значение с опережением оптимального для син­хронизации момента nT_s снижения до нуля напряжения U_s на время t_on, не зависящее при ограниченных углах 6_оп = u>₈t_on < 7г/3 от разности частот ш₈.

Суммарное напряжение (рис. 2.5)

т

+ К₂Еч>, cos ^ = 0 (2.11)

т г- тт I г' dU₈ . W₈to

U _s = KiU₈ + А 2-^- = 2 А1Е sin —— в момент времени to = T₈ — t_ou. Поскольку ш₈Т₈ — 2л^-, то при t_ou = T_s — to согласно (2.11)

2A₁tg^ = A>_s. (2.12)

При малых углах <5_0п = u>₈t_on < 7г/3 функция tg(<5_on/2) w <5_0п/2.

Поэтому в соответствии с (2.12)

t_on = А'₂/A'i = const. (2-13)

Таким образом, независимость времени опережения от ш₈ обеспечива­ется, как и указывалось, лишь при ограниченных допустимых значениях и₈, в частности при t_ou = t_B = 0,3 с, не превышающих

7Г

3

oj_sa <5 —— ~ 7град/с или /₃«0,5Гц.

0,3

Дискретный сигнал на включение привода выключателя формиру­ется компаратором ЕА (рис. 2.6) релейного действия, сравнивающим напряжение на выходе сумматора AW с нулевым значением (нуль- индикатором).

Сигнал превращается в управляющее воздействие УВ на включение привода выключателя логической частью ЛЧ при условии, что разность

Рис. 2.6. Функциональная схема автоматического синхронизатора с по­стоянным временем опережения

частот co_s не превышает указанное допустимое значение ш_ал, ограничи­ваемое измерительным органом скольжения ИОС. Он содержит изме­рительное реле минимального напряжения, фиксирующее допустимый угол опережения 6_опд.

Напряжение срабатывания реле

ТТ ТТ • ^ОП.Д Г, 7-1 ■ В m

и_с — U_ms sin 2 — 2J5 sin 2 * (,2.14j

При w_a\ < со_ад (см. рис.2.5) угол опережения, определяемый синхро­низатором, 6_оп1 = to_sit_a < <$_оп._д = co_SJlt_B, поэтому по мере снижения на­пряжения U_s и угла 6 первым (при <S_cx) срабатывает реле ИОС (сигнал U_с) и разрешает прохождение появляющегося позднее (<S_onx < <S_ci) сигна­ла U_B компаратора ЕА через логическую часть ЛЧ (рис. 2.6). Если же co_S2 > LOsdi то и угол (5_ОП1 > <^оп.д, поэтому первым (S_an2 > S_c2) срабаты­вает компаратор ЕА, но его сигнал U_B не проходит на выход логической части.

Запрещение формирования управляющего воздействия на включе­ние привода выключателя производится и от измерительного органа амплитуд ИОА (сигналом U_m) при недопустимой разности амплитуд Е_т.х и и_ш, поскольку рассмотренные соотношения, определяющие вре­мя опережения синхронизатора, справедливы только при равенстве амп­литуд.

Разработанный более совершенный автоматический синхронизатор типа СА-1 с вычисляемым углом опережения устанавливает угол опере­жения в соответствии с соотношением для равноускоренного вращения синхронного генератора

$оп — <^s0^on + ^as "Тр • (2.15)

Условие срабатывания синхронизатора

6 + <W = 2tt (2.16)

или

(Pi ₂

_£ dS dp^ton ₀

J -(- — t_on -| — 2ж . (2.16а)

Он содержит времяимпульсный преобразователь ВИН U9 (рис. 2.7) угла сдвига 6 фаз между Е_г__х и Ц _ш, ФНЧ ZF, выделяющий постоянную составляющую напряжения Us, пропорциональную углу S, два диффе­ренциатора AD\, AD2 н сумматор-компаратор WEA1, сравнивающий согласно (2.16а) напряжения

v_s + ^Ft₁t₂ = -'Ait, + u_so, (2.17)

dr dt

где Т\ = t_on, Т₂ — ton 12 — постоянные времени дифференциаторов с передаточными функциями

Н\(р) = рТ\; Н₂(р) = рТ₂; (2.18)

Us о — напряжение на выходе ZF при углах S = 0; 2жп.

Указанные элементы образуют измерительный орган угла опереже­ния ИОУО, вычисляющий угол опережения согласно (2.15) и формиру­ющий дискретный потенциальный сигнал U_B на включение выключате­ля синхронного генератора. Автоматический синхронизатор содержит

Рис. 2.7. Функциональная схема автоматического синхронизатора, вы­числяющего переменный угол опережения

измерительные органы частоты скольжения ИОС (разности частот) и ИОА — разности амплитуд ЭДС генератора Е_г._х и напряжения U_U1 на шинах электростанции.

Важной особенностью такого синхронизатора является ограничение частоты скольжения максимально допустимой и_вд в момент включения выключателя. Для этого контролируется максимально допустимый угол опережения, вычисляемый по частоте скольжения в момент срабатыва­ния синхронизатора u_so и ускорению:

а’зд ⁼ (а^о “Ь ®s^on)!

t²

^оп.д = ^д^оп ^— «S • (2.19)

Указанная особенность синхронизатора, вычисляющего угол опере­жения 5_оп с учетом ускорения энергоагрегата, позволяет ему срабаты­вать при углах опережения, значительно больших допускаемых СПВО.

Его особенностями являются также высокая точность дифференцирова­ния напряжения Us, его независимость от разности амплитуд и незави­симость рассмотренных соотношений от oj_s и ф>_п.

Измерительный орган ИОС содержит элемент сравнения угла 5 — компаратор напряжения Ug и установленного напряжения

Uson.fi. ~ ^Д^ОП ) (2.20)

скорректированного согласно (2.19) по ускорению a_s (сумматор-компа­ратор WEA 2)

d²U_{S 2}

dt² °^П

^оп.д+ 2 ■ ^(2>21)

В измерительном органе ИОА абсолютное значение |ДД_т| разности амплитуд формируется на выходе диодного элемента сравнения непре­рывного действия: релейные компараторы ЕА1,2 сравнивают его с уста­новленным AU_my. Дискретный потенциальный сигнал U_m и сигналы Uс и и_в поступают в логическую часть ЛЧ синхронизатора, которая разрешает формирование управляющего воздействия УВ на включение выключателя, если сигналы U_m и U_c соответствуют логическим нулям U_m = Uс = 0, а дискретный сигнал Г/_в — логической единице t/_B = 1.

Конструктивно автоматический синхронизатор СА-1 содержит и устройство уравнивания частот, вернее устройство подгонки частоты скольжения генератора к некоторому установленному значению |±w_s|_y ф ф 0, поскольку при uj_s = 0 синхронизатор теряет информацию и функ­ционировать не может (на рис. 2.7 не показано).